离子液体吸收分离乙炔乙烯的分子模拟与实验研究

摘要

乙炔和乙烯作为基础化工原料，其分离方法的研究具有重要意义。现有吸收分离法存在有机溶剂挥发、物耗能耗高等不足。本文利用离子液体蒸汽压极低、结构和性质可调等特点，采用实验和分子模拟相结合的手段，研究离子液体与乙炔/乙烯的相互作用及分离性能，设计合成兼具高选择性和高容量的离子液体吸收介质，为开发基于离子液体的绿色分离方法提供必要的基础数据和理论依据。
　　采用量化计算和分子动力学模拟研究了离子液体—乙炔/乙烯的微观结构、相互作用和扩散动力学，在分子水平上揭示了乙炔、乙烯与离子液体相互作用的差异。研究表明，乙炔与离子液体的阴离子之间存在强氢键相互作用，是影响乙炔在离子液体中溶解度的关键;而乙烯在离子液体中的溶解主要受范德华、p-π和π-π等弱相互作用的影响。此外，分子模拟研究表明乙炔的溶解有利于削弱阴阳离子间的相互作用，提高离子液体阴阳离子的扩散系数。
　　建立了快速预测乙炔、乙烯在离子液体中溶解度的优化COSMO-RS方法，计算了乙炔、乙烯在420种优选离子液体中的亨利系数，研究了离子液体结构与分离选择性及吸收容量的关系。结果表明乙炔/乙烯分离选择性主要受阴离子种类影响，其选择性随阴离子氢键碱性的增强而增大;乙炔的吸收容量同时受阴阳离子结构的影响，具有柔性结构且分子尺寸相对较大的阴阳离子的设计可显著增大离子液体自由体积，进而提高乙炔吸收容量。
　　在此基础上，设计合成了一类具有适宜自由体积和强碱性的四丁基膦长链脂肪酸盐离子液体，测定了298.1 K～313.1K，平衡压力为20 kPa～180 kPa下，乙烯、乙炔在包含四丁基膦正己酸盐([P4444][C5COO])在内的7种离子液体中的溶解度和亨利系数。研究了离子液体吸收分离乙炔/乙烯的构效关系，考察了温度和压力对吸收容量及选择性的影响，初步研究了离子液体的吸收热力学、吸收动力学和循环使用性能。实验结果表明，该四丁基膦长链脂肪酸盐离子液体表现出了很高的乙炔吸收容量和乙炔/乙烯分离选择性。298.1K时，乙炔和乙烯在[P4444][C5COO]中的亨利系数分别为2.1 bar和44.9 bar，乙炔/乙烯选择性达21.4，优于其它离子液体;乙炔在[P4444][C5COO]中的摩尔和质量吸收容量分别为0.476 bar-1和2.425 mol·kg-1·bar-1，分别是目前工业应用的有机吸收剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)的4倍和2倍。该类离子液体还具有相对较快的吸收速率，10 min时乙炔的吸收量达到平衡吸收量的99％。经多次吸收—解吸循环使用，乙炔吸收容量基本不变，具有较好的循环利用性能。
　　研究了工业裂解气常见杂质组分甲烷、乙烷、丙烷、丙烯、二氧化碳、氢气和氮气等在[P4444][C5COO]中的溶解特性和分离性能。[P4444][C5COO]不仅具有独特的乙炔选择性溶解能力，298.1K下乙炔对丙烯、乙烷、氢气的选择性分别为5.7、18.6、574.8，该离子液体还表现出良好的C2和C3轻烃回收及不同碳数烃类分离的性能，298.1K下，乙烷/氢气、丙烷/氢气的选择性高达31.0和92.9，乙烷/甲烷、丙烷/甲烷的选择性达5.6和16.8。因此，四丁基膦长链脂肪酸盐离子液体不仅可用于从裂解气中选择性分离乙炔，还可用于从天然气、干气或工业尾气中回收轻烃。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 文献综述

1．1 引言

1．2 裂解气的组成及分离技术需求

1．3 乙烯乙炔分离纯化技术的研究进展

1．3．1 吸收分离法

1．3．2 吸附分离法

1．3．3 选择性催化加氢法

1．3．4 深冷分离法

1．3．5 萃取精馏法

1．3．6 膜分离法

1．3．7 水合物分离法

1．3．8 现有技术评价

1．4 离子液体用于气体分离的研究进展

1．4．1 离子液体概述

1．4．2 离子液体吸收分离乙炔乙烯及其它低碳烃

1．4．3 离子液体吸收分离酸性气体

1．4．4 离子液体吸收分离其它气体

1．4．5 气体在离子液体中溶解度的关联模型

1．5 本文研究目的与内容

第二章 离子液体—乙炔／乙烯相互作用的分子模拟研究

2．1 前言

2．2 离子液体—乙炔／乙烯相互作用的量子化学计算研究

2．2．1 计算方法

2．2．2 阴离子—乙炔／乙烯相互作用的量子化学分析

2．2．3 阳离子—乙炔／乙烯相互作用的量子化学分析

2．2．4 阴阳离子—乙炔／乙烯相互作用的量子化学分析

2．3 离子液体—乙炔／乙烯相互作用的分子动力学模拟研究

2．3．1 模拟细节

2．3．2 力场的验证

2．3．3 离子液体的微观结构

2．3．4 离子液体—乙炔／乙烯微观结构

2．3．5 离子液体—乙炔／乙烯体系的作用能分析

2．3．6 扩散系数

2．4 本章小结

第三章 基于COSMO-RS方法的离子液体设计及筛选

3．1 引言

3．2 COSMO-RS方法介绍

3．2．1 COSMO-RS的基本理论

3．2．2 计算步骤及参数设置

3．3 优化COSMO-RS方法的建立

3．4 筛选适宜吸收分离乙烯乙炔的离子液体

3．4．1 待筛选的离子液体

3．4．2 筛选结果及讨论

3．5 离子液体—乙炔／乙烯构效关系的σ-proffie分析

3．5．1 乙炔、乙烯的σ-profile分析

3．5．2 阳离子的σ-profile分析

3．5．3 阴离子的σ-profile分析

3．6 本章小结

第四章 乙炔／乙烯在离子液体中的分离性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂

4．2．2 离子液体的合成

4．2．3 气体吸收实验装置

4．2．4 亨利系数测定方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 实验装置可靠性验证

4．3．2 溶解度

4．3．3 亨利系数

4．3．4 温度对溶解度和亨利系数的影响

4．3．5 与工业吸收溶剂的比较

4．3．6 吸收热力学研究

4．3．7 吸收动力学曲线

4．3．8 离子液体的循环使用

4．4 本章结论

第五章 轻烃及典型气体在四丁基膦正己酸盐中的溶解性能研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．3 结果与讨论

5．3．1 乙炔与其它气体的分离性能

5．3．2 不同碳数低碳烃的分离性能

5．3．3 吸收热力学研究

5．3．4 吸收动力学曲线

5．4 本章结论

第六章 结论

参考文献

附录A 分子动力学模拟力场参数

附录B 离子液体吸收乙炔、乙烯的溶解度数据(R为线性相关系数)

附录C [P4444][C5COO]吸收其它气体的溶解度数据

作者简介及在学期间所取得的科研成果